专利名称：一种非接触型车用角度和扭矩传感器总成的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于汽车动力转向系统中的角度和扭矩传感机构，具体涉及基于巨磁电阻GMR传感器的非接触型角度和扭矩测量的装置。
背景技术：
方向盘角度和扭矩传感器是汽车EPS系统的重要组成部件之一。角度传感器测定方向盘转动时的转角和中间位置之间的角度差。扭矩传感器测定方向盘与转向器输出轴之间传递的扭矩。最后将角度值和扭矩值转化为电信号，通过串口传送给ECU。角度和扭矩值是控制转向助力力矩大小和回正力矩大小的重要参数，因此这两个输出信号的正确与否将直接影响车辆的操纵安全，特别是高速行驶中的车辆。现有EPS系统中，角度传感器的工作原理主要包括非接触光栅式、电感式和接触电位计式；扭矩传感器的工作原理不仅仅包括非接触式电感式、接触式电位计式，还有采用金属电阻应变片工作原理的等多种方式。接触型传感器(比如电位计式)虽然成本较低，但因存在磨损，寿命较短。非接触角度和扭矩传感器因不存在磨损，与前者相比，寿命更长、可靠性更高，现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是EPS传感器的主流产品。
图1为典型的非接触式扭矩传感器结构示意图，图中1是轴套，2是线圈，3是线轴套(磁性材料)，4是扭杆，5是输入轴。其输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用而产生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭杆的扭转量，使得花键上的磁感应强度改变；磁感应强度的变化，通过线圈转化为电压信号变化量；信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。如CN1306254C"用于车辆的扭矩传感器"也是基于非接触扭矩传感器同样原理和结构，但这种传感器不仅仅存在结构复杂和制造成本较高的问题，而且只能检测扭矩，不能检测角度。
图2为基于AMR效应的角度传感器，该传感器通过与方向盘连接的齿轮与两个齿轮相啮合。通过检测齿轮的转动角度来计算方向盘转角。AMR传感器的测量范围仅为180°,经过特殊设计可满足方向盘测量转角的要求。AMR传感器的磁电阻率数值小，但饱和场低，温度系数小，稳定性好，耐恶劣环境能力强，制作工艺简单，价格便宜，主要缺点是 灵敏度较低，探测磁场的范围较弱。图中，ll是齿轮，12测量齿轮，13是磁铁，14是判 断电路，15是各向异性磁阻(AMR)集成电路。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种结构简单、制造成本较 低，而且灵敏度高、可靠性好的一种非接触型车用角度和扭矩测量合为一体的EPS智能传 感器总成。
本实用新型的目的是这样实现的 一种非接触型车用角度和扭矩传感器总成，包括第 一传动轴套、第二传动轴套和扭杆；其特征在于，第一传动轴套和第二传动轴套前段同轴 间隙配合，其间由轴承支承；扭杆设于所述第一传动轴套和第二传动轴套同轴的空腔之中， 扭杆的两端分别与第一传动轴套和第二传动轴套固定连接；第一传动轴套和第二传动轴套 的两端分别与输入轴和输出轴耦合；
第一传动轴套的中段外沿设有第一主动齿轮Z1，第二传动轴套的前段外沿设有第二主 动齿轮Z12;所述第一主动齿轮Z1与第二主动齿轮Z12相邻，并且齿数和模数均相同；
在第一主动齿轮Zl和第二主动齿轮Z12相邻部位之间还设有圆环形电路板，电路板两面 板上分别设有巨磁电阻GMR传感器；
所述第一主动齿轮Zl啮合三个相同的第一从动齿轮Z2、 Z2'、 Z2"，第二主动齿轮 Z12啮合另外三个相同的第二从动齿轮Z3、 Z3'、 Z3";第一从动齿轮Z2和第二从动齿轮 Z3齿数不同；其中，任意一个第一从动齿轮Z2和任意一个第二从动齿轮Z3分别设有径 向极化的磁缸(6)，并分别与电路板上的巨磁电阻GMR传感器相对应。
相比现有技术，本实用新型具有如下优点
1、 本实用新型采用巨磁电阻(GMR)传感器，它除了具有AMR同样的优良性能夕卜， 因磁电阻率更高，扩大了测量范围，更适合EPS的角度和扭矩的测量。
2、 本实用新型，釆用上下两层齿轮结构,可确保传感器安装定心准确无误；具有整体 结构简单、制造成本较低的优点。
3、 本实用新型根据安装在变形扭杆两头的两个齿数相同的主动齿轮Z1和Z12分别从 动齿轮Z2和Z3 (每种3个)转动，并检测到两个不同齿数从动轮的转角，经过单片机微 处理器的计算而求得方向盘输入的角度和扭矩。它具有构思巧妙，设计合理，检测灵敏度 高的特点。
图1是典型的非接触式扭矩传感器结构图； 图2是典型的AMR角度传感器的结构图； 图3是本实用新型的结构原理图； 图4是图3的A—A剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图3所示，本实用新型的非接触型车用角度和扭矩传感器总成，包括第一传动轴套 31、第二传动轴套32和扭杆33;第一传动轴套31和第二传动轴套32同轴间隙配合，其 间由轴承38支承;扭杆33设于所述第一传动轴套31和第二传动轴套32同轴的空腔之中， 扭杆33的两端分别与第一传动轴套31和第二传动轴套32由销钉312固定连接；第一传 动轴套31和第二传动轴套32的两端分别与输入轴(方向盘轴)和输出轴(转向机构)耦 合。
所述第一传动轴套31的中部外沿设有第一主动齿轮Z1;第二传动轴套32与第一主动 齿轮Zl相邻部位外沿设有第二主动齿轮Z12;第一主动齿轮Zl和第二主动齿轮Z12的齿 数和模数均相同。
第一主动齿轮Zl啮合三个第一从动齿轮Z2、 Z2，和Z2"，第二主动齿轮Z12啮合三 个第二从动齿轮Z3、 Z3'和Z3": Z2、 Z2，和Z2"齿数相同，Z3、 Z3'和Z3"齿数相同；而 第一从动齿轮Z2和第二从动齿轮Z3齿数不同。三个第一从动齿轮Z2、 Z2'、 Z2"和三个 第二从动齿轮Z3、 Z3'、 Z3"分别呈120度均匀周向布置于第一主动齿轮Z1和第二主动齿 轮Z12的外沿(图4为第二从动齿轮Z12分布示意图)；其中， 一个第一从动齿轮Z2和一 个第二从动齿轮Z3分别(相对)设有径向极化的磁钢36;在第一主动齿轮Z1和第二主动 齿轮Z12之间还设有电路板34，电路板34两面板上对应所述磁缸36的部位设有巨磁电阻 GMR传感器35;所述电路板34上还设计有单片微处理器，接受巨磁电阻GMR传感器35 的角度信号，并计算出角度和扭矩值，然后通过串口传给控制电机的ECU。
为保证本传感装置本身和机械变形杆安装的定心问题，第一主动齿轮Zl和第二主动 齿轮Z12分别啮合的三个从动轮Z2、 Z2'、 Z2"和Z3、 Z3'、 Z3"的圆心分别位于距主动轮 轮心相同的一个圆上(见图4)，两两间的角度为120°;并通过微型轴承39与壳体311连 接。一个从动齿轮Z2和一个从动齿轮Z3上布置一个径向极化的磁缸，磁缸随着齿轮一起 转动提供变化的磁场，在磁缸下电路板的对应位置安装GMR传感器。为了增加传感器的工作稳定性，还可设计冗余的磁缸和GMR传感器。即在两个从动齿轮Z2和两个从动齿 轮Z3上安装磁缸，并在电路板上的对应位置安装GMR传感器。这样的好处是当其中的一 个出现异常时，另外一个可以继续工作。
本实用新型的方向盘转角和扭矩测量方法是将本实用新型传感装置安装于方向盘传 动杆与转向器之间，通过方向盘传动杆带动第一传动轴套31，由于传感器扭杆33的一头 用销子固定在第一传动轴套31上，而传感器扭杆33的另一头用销子固定在第二传动轴套 32上。所以在方向盘转动的时候不仅仅是第一传动轴套31上面的第一主动齿轮Z1与方向 盘同步旋转，而且通过传感器扭杆33带动第二传动轴套32按同一个方向旋转，但由于传 感器扭杆33属于可产生弹性变形的部件，第二传动轴套32会滞后第一传动轴套31 —个 较小的角度4)，该值和扭矩成一定比例关系。第一主动齿轮Z1和第二主动齿轮Z12，各 自带动两个不同齿数的从动齿轮Z2和Z3转动，在从动齿轮Z2和Z3正中间面对电路板 34 —面安装有径向磁化的磁钢36，而磁钢36下方电路板上设有巨磁电阻GMR传感器35。 它用来检测Z2和Z3转过的角度，并传给单片微处理器。微处理器通过齿轮的传动比关系 的计算，可以得到Z1和的Z12转角，其中Z12转角即为方向盘的转角；二者的差值即为 扭杆的转角差4)，根据转角差*和扭杆的扭矩关系特性可以计算出扭矩。
权利要求1、一种非接触型车用角度和扭矩传感器总成，包括第一传动轴套(31)、第二传动轴套(32)和扭杆(33)；其特征在于，第一传动轴套(31)和第二传动轴套(32)前段同轴间隙配合，其间由轴承(38)支承；扭杆(33)设于所述第一传动轴套(31)和第二传动轴套(32)同轴的空腔之中，扭杆(33)的两端分别与第一传动轴套(31)和第二传动轴套(32)固定连接；第一传动轴套(31)和第二传动轴套(32)的两端分别与输入轴和输出轴耦合；第一传动轴套(31)的中段外沿设有第一主动齿轮(Z1)，第二传动轴套(32)的前段外沿设有第二主动齿轮(Z12)；所述第一主动齿轮(Z1)与第二主动齿轮(Z12)相邻，并且齿数和模数均相同；在第一主动齿轮(Z1)和第二主动齿轮(Z12)相邻部位之间还设有圆环形电路板(34)，电路板(34)两面板上分别设有巨磁电阻GMR传感器(35)；所述第一主动齿轮(Z1)啮合三个相同的第一从动齿轮(Z2、Z2’、Z2”)，第二主动齿轮(Z12)啮合另外三个相同的第二从动齿轮(Z3、Z3’、Z3”)；第一从动齿轮(Z2)和第二从动齿轮(Z3)齿数不同；其中，任意一个第一从动齿轮(Z2)和任意一个第二从动齿轮(Z3)分别设有径向极化的磁缸(36)，并分别与电路板(34)上的巨磁电阻GMR传感器(35)相对应。
2、 根据权利要求1所述的非接触型车用角度和扭矩传感器总成，其特征在于，所述 三个从动轮(Z2、 Z2'、 Z2")的圆心分别位于距第一主动齿轮(Zl)轮心相同的一个圆周 上，两两间的角度为120°,并通过微型轴承(39)与壳体(311)连接；所述三个从动轮(Z3、 Z3'、 Z3")的圆心分别位于距第二主动齿轮(Z12)轮心相同的一个圆周上，两两 间的角度为120°，并通过微型轴承(39)与壳体(311)连接。
3、 根据权利要求1所述的非接触型车用角度和扭矩传感器总成，其特征在于，所述 巨磁电阻GMR传感器(35)所测得的转角信号直接输入到电路板(34)中的单片微处理 器中进行计算，并直接得出角度和扭矩值。
4、 根据权利要求1所述的非接触型车用角度和扭矩传感器总成，其特征在于，在任 意两个从动齿轮(Z2、 Z2')和任意两个从动齿轮(Z3、 Z3')上设有径向极化的磁缸(36)， 并在电路板(34)上的对应位置安装GMR传感器(35)。
专利摘要本实用新型提供一种非接触型车用角度和扭矩传感器总成，第一传动轴套和第二传动轴套前段同轴间隙配合；扭杆套设于所述第一传动轴套和第二传动轴套同轴的空腔之中，扭杆的两端分别通过第一传动轴套和第二传动轴套与输入轴和输出轴耦合；第一传动轴套的中段外沿设有第一主动齿轮并啮合三个相同的第一从动齿轮，第二传动轴套的前段外沿设有第二主动齿轮啮合另外三个相同的第二从动齿轮；还设有圆环形电路板，电路板两面板上分别设有巨磁电阻GMR传感器；第一从动齿轮和第二从动齿轮上分别设有径向极化的磁缸，并分别与电路板上的巨磁电阻GMR传感器相对应。具有整体结构简单、制造成本较低和检测灵敏度高的特点，适合EPS的角度和扭矩的测量。
文档编号G01B7/30GK201283892SQ200820099469
公开日2009年8月5日 申请日期2008年7月16日 优先权日2008年7月16日
发明者文 朱 申请人:重庆三祥汽车电控系统有限公司